Pengaruh Penambahan Gadolinia Doped Ceria Terhadap Sifat Listrik Lanthanum Strontium Manganite-Yttria Stabilized Zirconia untuk Katode Solid Oxide Fuel Cell (Ni Luh Wulan Septiani)

## PENDAHULUAN
Lanthanum Strontium Manganite ( LSM ) merupakan material yang sudah banyak digunakan sebagai katode Solid Oxide Fuel Cell ( SOFC ) karena memiliki kemiripan nilai koefisien ekspansi termal dengan
Akreditasi LIPI Nomor : 395/D/2012 Tanggal 24 April 2012

## PENGARUH PENAMBAHAN GADOLINIA DOPED CERIA TERHADAP SIFAT LISTRIK LANTHANUM STRONTIUM

## MANGANITE - YTTRIA STABILIZED ZIRCONIA UNTUK KATODE SOLID OXIDE FUEL CELL
Ni Luh Wulan Septiani 1 , Dani Gustaman Syarif 2 dan Endi Suhendi 1
1 Program Studi Fisika, Jurusan Pendidikan Fisika-UPI Jl. Dr. Setiabudhi 229, Bandung 40154
2 Pusat Teknologi Nuklir Bahan dan Radiometri (PTNBR)-BATAN
Jl. Taman Sari 71, Bandung 40132 e-mail : niluhwulan@gmail.com Diterima: 8 Juni 2012 Diperbaiki: 25 September 2013 Disetujui: 22 November 2013

## ABSTRAK
PENGARUH PENAMBAHAN GADOLINIA DOPED CERIA TERHADAP SIFAT LISTRIK LANTHANUM STRONTIUM MANGANITE-YTTRIA STABILIZED ZIRCONIA UNTUK KATODE SOLID OXIDE FUEL CELL . Telah dilakukan penelitian mengenai pengaruh penambahan Gadolinia Doped Ceria ( GDC ) terhadap sifat listrik dalam hal ini konduktivitas elektronik keramik film tebal Lanthanum Strontium Manganite-Yttria Stabilized Zirconia ( LSM-YSZ ) yang digunakan sebagai katode Solid Oxide Fuel Cell ( SOFC ). Pelapisan film tebal katode dilakukan dengan metode screen printing . Perbandingan komposisi masing-masing material yang digunakan adalah 50 : 50 : 0; 50 : 40 : 10 dan 50 : 30 : 20 untuk masing masing LSM , YSZ dan GDC . Dari analisis X-Ray Diffractometer ( XRD ) yang dilakukan, setelah penambahan GDC , diketahui terdapat tiga fasa utama pada keramik film tebal yaitu fasa LSM , YSZ dan GDC serta fasa kedua yaitu SrZrO 3 . Data analisis Scanning Electron Microscope ( SEM ) memperlihatkan bahwa jumlah pori dan ukuran butir LSM secara kualitatif meningkat dengan meningkatnya konsentrasi GDC . Selain itu diketahui pula dari hasil pengukuran konduktivitas elektronik dengan menggunakan teknik Four Point Probe bahwa penambahan GDC meningkatkan konduktivitas elektronik dari 0,00406 S/cm ke 1,082 S/cm pada suhu 600 o C.
Kata kunci : Katode, LSM , YSZ , GDC , SOFC

## ABSTRACT
EFFECT OFADDITION OF GADOLINIA DOPED CERIA ON THE ELECTRICAL PROPERTIES OF LANTHANUM STRONTIUM MANGANITE-YTTRIA STABILIZED ZIRCONIA FOR SOLID OXIDE FUEL CELL CATHODE . A research on the effect of adding Gadolinia Doped Ceria (GDC) on the electrical property, in this case is the electronic conductivity of thick film ceramic of Lanthanum Strontium Manganite- Yttria Stabilized Zirconia (LSM-YSZ) used as an Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) cathode has been done. Thick film cathode was coated by screen printing method. Compositions for the cathodes were 50 : 50 : 0; 50 : 40 : 10 and 50 : 30 : 20 for LSM, YSZ, and GDC, respectively. X-Ray Diffractometer (XRD) analysis showed that after the addition of GDC, it was known that there were three main phases in the thick film ceramic cathode i.e. LSM, YSZ, and GDC. Moreover, there was a second phase in each composition of thick film ceramic cathode of SrZrO 3 . Scanning Electron Microscope (SEM) analysis showed that the number of pores and grain size of the LSM part increased qualitatively with increasing concentration of the GDC. Moreover, the electronic conductivity measurement using the Four Point Probe Technique showed that the addition of GDC also increased the electronic conductivity from 0.00406 S/cm to 1.082 S/cm at temperature of 600 o C.
Keywords : Cathode, LSM, YSZ, GDC, SOFC
elektrolit Yttria Stabilized Zirconia ( YSZ ). Penelitian mengenai pengoperasian katode Lanthanum Strontium Manganite ( LSM ) di berbagai suhu telah dilakukan[1]. Namun LSM masih optimal bekerja pada suhu tinggi yaitu diatas 900 o C [2]. Masalah yang dihadapi pengoperasian pada suhu tinggi adalah katode yang mudah rusak atau dengan kata lain umur hidup yang pendek [3]. Selain itu, masalah lain yang dihadapi oleh pengoperasian Solid Oxide Fuel Cell ( SOFC ) suhu tinggi adalah korosi pada logam interconnect jika sel SOFC disusun bertumpuk [4].
Katode konvensional masih bekerja pada suhu operasi 1.000 o C [4]. Oleh karena itu dilakukan beberapa upaya untuk meningkatkan kinerja dan menurunkan suhu operasi katoda, salah satunya dilakukan oleh peneliti sebelumnya dengan membuat komposit LSM - YSZ [5]. Namun ternyata katode LSM - YSZ masih optimal bekerja pada suhu tinggi yaitu diatas 800 o C [5]. Katode dikatakan baik jika memenuhi beberapa kriteria yaitu konduktivitas elektronik tinggi, kompabilitas yang baik dengan elektrolit dan stabil dalam lingkungan oksidasi [4]. Konduktivitas elektronik katode harus memiliki nilai yang tinggi karena fungsinya sebagai penghantar elektron.
Gadolinia Doped Ceria ( GDC ) merupakan material yang sering digunakan sebagai elektrolit dan memiliki konduktivitas ionik dan konduktivitas elektronik yang lebih baik dari YSZ pada suhu 800 o C [6]. Konduktivitas elektronik GDC muncul pada suhu 600 o C [7]. Penambahan GDC pada komposit LSM - YSZ diharapkan mampu meningkatkan konduktivitas elektronik katode pada suhu rendah dan suhu intermediet. Dalam makalah ini dibahas mengenai pengaruh penambahan GDC terhadap sifat listrik katode LSM -YSZ yang dikhususkan pada konduktivitas elektronik katode.

## METODE PERCOBAAN
Serbuk Lanthanum Strontium Manganite ( LSM ) dibuat dengan menggunakan metode sol gel dengan suhu kalsinasi 1.000 o C selama 4 jam [8]. Prekursor yang digunakan dalam proses sol gel ini adalah LaCl 3 .7H 2 O, SrCl 3 .6H 2 O, dan MnCl 2 .2H 2 O ( Merc ). Ketiga prekursor dicampur dengan menggunakan asam nitrat dan di larutkan oleh aquadest . Kemudian dilakukan pengontrolan pH dengan menggunakan NH 4 OH hingga mencapai pH 5. Larutan dipanaskan pada suhu 80 o C hingga menjadi sol dan dikeringkan pada suhu 200 o C. Serbuk LSM , Yttria Stabilized Zirconia ( YSZ ) dan Gadolinia Doped Ceria ( GDC ) dicampur dan dilakukan penggerusan dengan mortar selama 1 jam dengan komposisi 50 : 50 : 0; 50 : 40 : 10 dan 50 : 30 : 20 untuk masing-masing LSM , YSZ dan GDC . Campuran serbuk masing-masing dicampur dengan 30 % Organic Vehicle hingga menjadi pasta. Masing-masing pasta dilapiskan satu kali pada substrat alumina dengan teknik screen
printing dan kemudian di sinter pada suhu 1.200 o C selama 90 menit. Kemudian dilakukan karakterisasi terhadap keramik film tebal katode LSM - YSZ - GDC . Karakterisasi struktur kristal dilakukan dengan menggunakan Phillips 1.835 Diffractometer dengan sumber Sinar-X CuK α . Karakterisasi strukturmikro dilakukan dengan menggunakan Scanning Electron Microscope ( SEM ) Phillips X-20 dan EDS - DX 40. Sedangkan karakterisasi sifat listrik yaitu konduktivitas elektronik dilakukan dengan menggunakan teknik four point probe. Pada suhu 400 o C hingga 700 o C dengan beda 50 o C.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pola X-Ray Diffractometer ( XRD ) yang dihasilkan oleh masing-masing komposisi film tebal diperlihatkan oleh Gambar 1.
Dari Gambar 1 terlihat bahwa sebelum penambahan Gadolinia Doped Ceria ( GDC ) terdapat dua fasa utama dalam keramik film tebal dan setelah
Gambar 1 . Pola XRD masing-masing film (a). 50 LSM 50 YSZ (b). 50 LSM 40 YSZ 10 GDC dan (c). 50 LSM 30 YSZ 20 GDC . (b) (a) (c)
Pengaruh Penambahan Gadolinia Doped Ceria Terhadap Sifat Listrik Lanthanum Strontium Manganite-Yttria Stabilized Zirconia untuk Katode Solid Oxide Fuel Cell (Ni Luh Wulan Septiani)
penambahan GDC terdapat tiga fasa utama yaitu fasa Lanthanum Strontium Manganite ( LSM ), Yttria Stabilized Zirconia ( YSZ ), GDC . Namun dalam masing-masing komposisi film tebal muncul fasa kedua yaitu SrZrO 3 yang tidak diharapkan. Fasa ini muncul sebagai hasil reaksi antara strontium yang terdapat dalam LSM dan ZrO 2 yang terdapat pada YSZ pada suhu diatas 1200 o C [9]. LSM yang terbentuk memiliki struktur kristal
monoklinik dengan parameter kisi a = 5,4843 Å, b = 5,5349 Å, c = 7,7916 Å dan β = 90,746 serta orientasi bidang (110), (200), (202), (220), (222), (132), (040), (402). YSZ yang terbentuk memiliki struktur kubik dengan parameter kisi a = 5.14 Å dan orientasi bidang (111), (200), (220), (311), (222), (331) dan (420). Sedangkan GDC yang terbentuk memiliki struktur kubik dengan parameter kisi a = 5,42 Å dan orientasi bidang (111), (220), (311) dan (331).
Sedangkan strukturmikro masing-masing komposisi katode LSM - YSZ - GDC yang dilihat dengan menggunakan Scanning Electron Microscope ( SEM )
ditunjukan pada Gambar 2. Secara kualitatif persentasi porositas meningkat dengan meningkatnya konsentrasi GDC . Selain itu terdapat beberapa butir yang membesar dengan meningkatnya konsentrasi GDC . Berdasarkan Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy ( EDS ) yang dilakukan pada katode 50 LSM 30 YSZ 20 GDC (Gambar 3), kemungkinan besar butir yang membesar adalah fasa LSM . Peningkatan ukuran butir LSM tersebut dapat disebabkan oleh beberapa kemungkinan yaitu kemungkinan ertama adalah Ce 4+ dari CeO 2 yang terlepas dari GDC bersubtitusi menggantikan La 3+ pada LSM yang dapat di gambarkan dengan Persamaan (1) Kroger Vink [10].
'' ' ) , (
2 20 3 3 3
La x o La MnO Sr La V Ce
CeO     
    ........ (1)
Kemungkinan kedua adalah Ce 4+ dari CeO 2 yang terlepas dari GDC bersubtitusi menggantikan Sr 2+ pada LSM dengan reaksi pada Persamaan (2),
Gambar 2 . Strukturmikro masing-masing komposisi
katode film tebal (a). 50 LSM 50 YSZ (b). 50 LSM 40 YSZ 10 GDC dan (c). 50 LSM 30 YSZ 20 GDC (c) (a) (b) Gambar 3 . Hasil EDS pada butir besar 50 LSM 30YSZ20GDC
Gambar 4 . Grafik (a). ln konduktivitas terhadap 1/T masing-masing komposisi katode pada rentang suhu 400 o C hingga 700 o C dan (b). Konduktivitas terhadap konsentrasi GDC pada suhu 600 o C
(a) (b)
'' ) , ( 2 20 3 Sr x o Sr MnO Sr La V Ce
CeO           ............. (2)
Kemungkinan terakhir adalah Gd 3+ dari Gd 2 O 3 yang terlepas dari GDC bersubtitusi menggantikan Sr + pada LSM dengan reaksi pada Persamaan (3),
'' ) , ( 3 2 30 2 2 3 Sr x o Sr MnO Sr La V Gd O Gd          ...... (3)
Ketiga reaksi pada Persamaan (1), Persamaan (2) dan Persamaan (3) menghasilkan cacat kekosongan kation bermuatan -2 dan -3 yang secara teori cacat kekosongan tersebut dapat mempermudah difusi selama sintering sehingga ukuran butir LSM meningkat. Peningkatan butir LSM tersebut dapat meningkatkan konduktivitas elektronik katode karena jalan bebas rata-rata yang dilalui oleh elektron semakin besar [11]. Hal ini dibuktikan dengan sifat listrik yang dihasilkan oleh masing-masing komposisi keramik film tebal katode yang ditunjukan pada Gambar 3.
Berdasarkan Gambar 3(a) masing-masing komposisi keramik film tebal katode menunjukkan karakteristik semikonduktor dimana konduktivitas meningkat dengan meningkatnya suhu dari 400 o C hingga 700 o C. Selain itu keramik film tebal katode LSM - YSZ - GDC memiliki energi aktivasi dalam rentang 0,26 eV hingga 0,46 eV. Konduktivitas katode meningkat dengan meningkatnya konsentrasi GDC . Pada suhu 600 o C, dimana katode diharapkan dapat bekerja dengan baik, konduktivitas elektronik terhadap konsentrasi ditunjukkan oleh Gambar 3(b), sedangkan konduktivitas elektronik keramik film tebal katode meningkat dengan meningkatnya konsentrasi GDC . Pada suhu 600 o C konduktivitas listrik katode meningkat dengan meningkatnya konsentrasi GDC yaitu 0,00406 S/cm, 0,760 S/cm dan 1,082 S/cm untuk masing-masing 50 LSM 50 YSZ , 50 LSM 40 YSZ 10 GDC dan 50 LSM 30 YSZ 20 GDC . Namun nilai-nilai tersebut masih dibawah nilai konduktivitas elektronik katode konvensional LSM-YSZ yang dihasilkan oleh peneliti sebelumnya pada suhu 1.000 o C yaitu 2,34 S/cm. Sedangkan pada suhu 700 o C konduktivitas elektronik katode 50 LSM 30 YSZ 20 GDC mencapai nilai 2,975 S/cm. Dalam penelitian ini, katode diharapkan dapat bekerja dengan baik pada suhu 600 o C. Nilai konduktivitas yang rendah ini disebabkan oleh kehadiran fasa kedua yaitu SrZrO 3 yang bersifat isolator yang baik dan dapat menurunkan konduktivitas elektronik secara keseluruhan.

## KESIMPULAN
Penambahan Gadolinia Doped Ceria ( GDC ) membuat keramik film tebal katode memiliki tiga fasa utama yaitu fasa Lanthanum Strontium Manganite ( LSM ), Yttria Stabilized Zirconia ( YSZ ) dan GDC . Selain itu muncul fasa kedua yaitu SrZrO 3 .Dalam hal strukturmikro, porositas dan ukuran butir LSM semakin meningkat dengan meningkatnya konsentrasi GDC . Konduktivitas elektronik katode meningkat dengan meningkatnya konsentrasi GDC . Pada suhu 600 o C konduktivitas elektronik meningkat dari 0,00406 S/cm ke 1,082 S/cm dengan meningkatnya konsentrasi GDC dari 0 % menjadi 20 %. Katode LSM - YSZ - GDC belum dapat beroperasi dengan baik pada suhu 600 o C atau dibawah suhu operasi katode konvensional.

## DAFTAR ACUAN
[1]. V. R. WANDEKAR, B. N. WAI, BHARADWAJ, Solid State Sciences , 11 (2009) 240-250
[2]. T. KAWADA and T. ISIHARA, Perovskite Oxide for Solid Oxide Fuel Cells , Springer, New York, Hlm, (2009)147-161
[3]. D. G. SYARIF, et al ., Effect of LSGM Addition on Electrical Characteristic of 8YSZ Ceramics for Solid Electrolyte, Being Submitted to ASMP 2012,
Chinai India , (2012)
[4]. S. C. SINGHAL, The Electrochemical Society Interface , (2007) 41-44
[5]. J. PIAO, Journal of Power Sources , 175 (2008) 288-295
[6]. L. D. JADHAV, et al ., Bull Material Science , 30 (2007) 97-100
[7]. WANG, XIAODI, Ionic Conducting Composite as Electrolyte for Low Temperature Solid Oxide Fuel Cells, Licentiate Thesis in Functional Materials Division
School of Information and
Communication Technology Royal Institute of Technology , Stockholm, (2010)
[8]. SYARIF, D. G. SOEPRIYANTO, SYONI, ISMUNANDAR, Journal of The Ceramic Society , 49 (2) (2013) 52-59
[9]. T. Y. CHIH-CHUNG, et al ., Materials Chemistry and Physics, 81 (2003) 134-142
[10]. S. C. SINGHAL, Solid State Ionics , 135 (2000) 305-313
[11]. VAN VLACK L.H., Elemen-Elemen Ilmu dan Rekayasa Material, Alih Bahasa: Ir. SRIATI DJAPRIE, M. Met., Edisi keenam, Erlangga, Jakarta,
(2004) 287-2